本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)高功率半導體激光器波長穩(wěn)定的裝置。

背景技術(shù)：

在高功率半導體激光器的泵浦應用中，激光波長的穩(wěn)定性是非常重要的參數(shù)指標。半導體激光器的波長受激光芯片結(jié)溫影響，結(jié)溫溫度變化會導致波長漂移。因此控制激光芯片的結(jié)溫溫度是實現(xiàn)半導體激光波長穩(wěn)定的重要方法。目前普遍采用TEC雙向溫度控制的方法，來調(diào)節(jié)激光芯片的溫度，以達到穩(wěn)定波長的效果，但是此方法需要復雜的溫度測量和控制電路。

此外，也曾有人提出一種單向溫度控制的理論，即通過加熱元件對激光芯片加熱，使其工作在高溫區(qū)，并保證高溫區(qū)工作波長為所需要的波長，由于不需要額外的制冷裝置，因此控制電路相對簡單。例如：

中國專利文獻CN200780033774.2提出了在DFB半導體激光器上設(shè)置微加熱元件來進行熱補償?shù)姆椒?，該方案是采用在芯片有源區(qū)的兩側(cè)設(shè)置微加熱元件，對有源區(qū)兩側(cè)的低溫區(qū)域進行熱補償，降低有源區(qū)兩側(cè)與中心區(qū)域的溫差，雖然在也能產(chǎn)生調(diào)節(jié)波長的技術(shù)效果，但是僅僅限于在DFB激光器等小功率單發(fā)光點芯片的應用，對于單bar條這種多發(fā)光點的芯片，目前無法實現(xiàn)對每個發(fā)光點的有源區(qū)進行熱補償，因此無法應用至高功率半導體激光器。

中國專利文獻CN201610229356.1提出一種利用在基板內(nèi)設(shè)置鎢絲對DFB半導體激光器進行加熱實現(xiàn)波長調(diào)節(jié)的方法，該結(jié)構(gòu)將加熱基板設(shè)置于DFB半導體激光器的全發(fā)射面上(與激光芯片P面和N面所垂直的后端面，也是與發(fā)光面對立的面)，這種加熱方法易損傷激光芯片的后腔面，嚴重影響半導體激光器的可靠性，此外，這種方法加熱效率低，也難以應用于多發(fā)光點的單bar芯片上。并且此方案鎢絲進行蛇形布線，仍難以避免其散熱不均勻，影響對激光芯片的加熱效果。該方案中鎢絲設(shè)置于基板內(nèi)部，這必然需要復雜的工藝實現(xiàn)，因此難以得到推廣應用。

并且，上述兩篇文獻都是基于DFB半導體激光器，眾所周知，DFB半導體激光器是應用于通信領(lǐng)域的小功率半導體激光器(一般為毫瓦級)，而高功率半導體激光器(一般為5W以上，高至萬瓦級)對封裝技術(shù)的要求更高，因此，現(xiàn)有的這些加熱方案并不適用于高功率半導體激光器泵浦。高功率半導體激光器的波長調(diào)節(jié)仍是本領(lǐng)域研究的熱點和難點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種高功率半導體激光器封裝結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)高功率半導體激光器波長穩(wěn)定，使其可以在全溫度范圍下工作。

本發(fā)明的解決方案如下：

一種可實現(xiàn)波長穩(wěn)定的高功率半導體激光器封裝結(jié)構(gòu)，包括激光芯片和加熱裝置，有別于現(xiàn)有技術(shù)的是：還包括第一導熱襯底和第二導熱襯底，分別與激光芯片的N面和P面鍵合，并在鍵合面形成電連接；所述加熱裝置采用通過薄膜工藝或厚膜工藝生成的平面加熱元件，位于其中一個導熱襯底的外側(cè)表面并與該導熱襯底保持絕緣。

在以上方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還進一步作了以下重要優(yōu)化設(shè)計：

上述平面加熱元件優(yōu)選薄膜電阻或厚膜電阻。厚膜電阻的膜厚一般大于或等于10μm，薄膜電阻的膜厚小于10μm，通常小于1μm。

上述平面加熱元件在激光芯片腔長方向和寬度方向的尺寸均小于其安裝平面，對應于激光芯片的正上方；用于對平面加熱元件加電的正、負電極為金屬鍍層，分別位于安裝平面在激光芯片寬度方向的兩端區(qū)域，并延及平面加熱元件相應兩端的下方區(qū)域(即平面加熱元件截面呈T型)。

所述平面加熱元件與相應導熱襯底的安裝結(jié)構(gòu)形式可分為以下兩類：

第一類結(jié)構(gòu)：

第一導熱襯底和第二導熱襯底均為導電導熱襯底，平面加熱元件與相應的導電導熱襯底之間設(shè)置有絕緣導熱基板。

進一步的考慮，絕緣導熱基板在激光芯片腔長和/或?qū)挾确较蛏系某叽缧∮谙鄳膶щ妼嵋r底，設(shè)置在該導電導熱襯底上，對應于激光芯片的正上方，留出的空間便于實現(xiàn)激光芯片電連接。

絕緣導熱基板可以為AlN陶瓷、BeO陶瓷、金剛石等。

第二類結(jié)構(gòu)：

所述其中一個導熱襯底為絕緣導熱襯底，直接與平面加熱元件接觸，另一個導熱襯底為導電導熱襯底。

絕緣導熱襯底優(yōu)選DBC或者DPC結(jié)構(gòu)，通過覆銅結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與激光芯片的電連接。

優(yōu)選的電連接結(jié)構(gòu)形式為：所述其中一個導熱襯底的外側(cè)覆銅層有一部分區(qū)域與平面加熱元件及正、負電極所覆蓋區(qū)域絕緣隔離，該部分區(qū)域具有從平面加熱元件到激光芯片方向貫通的導電通道，將外側(cè)覆銅層與內(nèi)側(cè)覆銅層連通，使激光芯片與平面加熱元件在同側(cè)分別實現(xiàn)電連接。

上述平面加熱元件最好設(shè)置于第二導熱襯底的外側(cè)面，對應于激光芯片的正上方，即從P面方向加熱。第一導熱襯底與第二導熱襯底的熱導率匹配關(guān)系具體可根據(jù)基礎(chǔ)熱沉的導熱能力和芯片的功率決定：如果熱沉散熱能力好，需要在芯片上積累熱量，則第一導熱襯底的導熱率宜低于第二導熱襯底；如果熱沉散熱較差，或者芯片功率較大，導致芯片自身的熱積累較多，則調(diào)整第一導熱襯底和第二導熱襯底的匹配關(guān)系，可能需要使第一導熱襯底的導熱率與第二導熱襯底相當。

第一導熱襯底和第二導熱襯底在-40～280℃溫度范圍熱膨脹系數(shù)CTE宜與GaAs相當。

上述第一導熱襯底可采用Kovar合金、Invar系列合金、CuW或者Cu-Diamond復合材料，或者采用Cu/Invar/Cu、Cu/Kovar/Cu、Cu/W/Cu、Cu/Mo/Cu或Cu/Diamond/Cu復合結(jié)構(gòu)；第二導熱襯底可采用CuW或者Cu-Diamond復合材料，或者采用Cu/W/Cu、Cu/Mo/Cu或Cu/Diamond/Cu復合結(jié)構(gòu)。

上述激光芯片可以是單發(fā)光點半導體激光芯片、單bar條半導體激光器芯片等。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、通過對激光芯片的接觸平面整體均勻散熱，提高了加熱的均勻性，半導體激光器的發(fā)射光的光譜寬度不發(fā)生擴展。

2、通過小電流加熱薄膜電阻產(chǎn)生少量的熱即可調(diào)制半導體激光器的結(jié)溫，使得半導體激光器的輸出波長穩(wěn)定在相應的工作波長，且結(jié)構(gòu)簡明、可靠。

3、通過在對應于激光芯片寬度方向上的兩端區(qū)域鍍金屬層，方便了薄膜電阻的電連接。

附圖說明

圖1為實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1的俯視圖。

圖3為實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為電連接優(yōu)化的實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標號說明：

1-第一導電導熱襯底，2-第二導電導熱襯底，3-激光芯片，4-絕緣導熱基板，5-平面加熱元件，6-金屬層，7-絕緣導熱襯底，71-內(nèi)側(cè)覆銅層，72-外側(cè)覆銅層。

具體實施方式

本發(fā)明在激光芯片上增加平面加熱元件(即接觸平面整體均勻散熱)，使結(jié)溫穩(wěn)定于高結(jié)溫下，實現(xiàn)波長穩(wěn)定。平面加熱元件具體可為薄膜電阻或者厚膜電阻，并與激光芯片之間絕緣。

實施例一

如圖1所示，激光芯片3經(jīng)回流工藝鍵合于第一導電導熱襯底1和第二導電導熱襯底2之間(具體可為激光芯片的N面與第一導電導熱襯底1鍵合，激光芯片的P面與第二導電導熱襯底2鍵合)，在導電導熱襯底上方設(shè)置平面加熱元件5，并且平面加熱元件與導電導熱襯底之間設(shè)置有絕緣導熱基板4。平面加熱元件5優(yōu)選薄膜電阻。

在基礎(chǔ)熱沉散熱良好的情況下，第一導電導熱襯底1的熱導率范圍在5W/mK～25W/mK范圍內(nèi)，且在-40～280℃溫度范圍熱膨脹系數(shù)CTE等于或者接近6.5ppm/K，優(yōu)選材料包括Kovar合金、Invar系列合金，或者Cu/Invar/Cu、Cu/Kovar/Cu三明治復合結(jié)構(gòu)。

通過小電流加熱薄膜電阻產(chǎn)生少量的熱即可調(diào)制半導體激光器的結(jié)溫，使得半導體激光器的輸出波長穩(wěn)定在相應的工作波長。

第二導電導熱襯底2其熱膨脹系數(shù)CTE與GaAs相等或者接近6.5ppm/K，包括CuW、Cu-Diamond復合材料，Cu/W/Cu、Cu/Mo/Cu、Cu/Diamond/Cu復合結(jié)構(gòu)。第二導電導熱襯底2同時可作為激光芯片的電極。

第一導電導熱襯底1的導熱率低于第二導電導熱襯底2，使得平面加熱元件產(chǎn)生的熱量易于積累在激光芯片上，可使得平面加熱元件僅產(chǎn)生少量熱量就可以滿足結(jié)溫調(diào)制需求。

當薄膜電阻加熱時，半導體激光器的結(jié)溫分布均勻，半導體激光器的發(fā)射光的光譜寬度不發(fā)生擴展。

絕緣導熱基板4在激光芯片腔長方向上的尺寸小于與其連接的導電襯底，預留的空間便于給半導體激光器實現(xiàn)電連接。所述絕緣導熱基板要求熱導率高，是良好的絕緣體，目的在于使得半導體激光器與薄膜加熱電阻電絕緣。所述絕緣導熱基板位于半導體激光器的中間位置，使得半導體激光器的結(jié)溫更加均勻，半導體激光器的輸出光光譜不發(fā)生擴展。

在對應于激光芯片寬度方向上的兩端區(qū)域鍍金屬層，用于給薄膜加熱電阻實現(xiàn)電連接。所述薄膜加熱電阻在半導體激光器腔長方向的尺寸略小于絕緣導熱基板，位于絕緣導熱基板的中間，目的在于使得半導體激光器的結(jié)溫更均勻，半導體激光器的輸出光光譜不發(fā)生擴展。

該實施例優(yōu)選的平面加熱元件并不是傳統(tǒng)的加熱電阻，而是直接通過薄、厚膜的工藝蒸鍍或者印刷在該絕緣導熱基板(或絕緣導熱襯底)上。

以圖1所示結(jié)構(gòu)為例，制作平面加熱元件的工藝順序為：先在絕緣導熱基板的上表面對應于平面加熱元件的兩端蒸鍍或者印刷出兩塊電極(即圖中的金屬層6)，然后在這兩塊電極之間的區(qū)域蒸鍍或者印刷出該平面加熱元件，使該平面加熱元件填充兩塊電極之間的區(qū)域，且平面加熱元件的兩端分別搭接在兩端電極上(平面加熱元件截面呈T型)，作為該平面加熱元件的電連接方式。當然，也可以先蒸鍍或者印刷出平面加熱元件，然后在平面加熱元件兩端蒸鍍或者印刷出兩塊電極，使兩塊電極覆蓋封閉平面加熱元件兩端(端面及部分上表面)。所以，為了滿足接觸平面整體均勻散熱，實際的平面加熱元件并不是嚴格意義上的平面，只是電阻層非常薄，使得平面加熱元件近似平面。

實施例二

如圖3所示，在實施例一結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用絕緣導熱襯底7替代原第二導電導熱襯底2和絕緣導熱基板4，平面加熱元件5直接設(shè)置于絕緣導熱襯底7上。絕緣導熱襯底7優(yōu)選DBC或者DPC結(jié)構(gòu)，通過覆銅結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電連接(即覆銅層作為電極)。

如圖4所示，可通過導電通道將DBC下層金屬層(內(nèi)側(cè)覆銅層71)與上層金屬層(外側(cè)覆銅層72)實現(xiàn)電連接，激光芯片于平面加熱元件在同側(cè)實現(xiàn)電連接，簡化電極結(jié)構(gòu)。